長光時空聯(lián)合長春光機所研制出人眼安全波段VCSEL芯片

  垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)具有低功耗、小體積、圓形對稱光斑及高可靠性等優(yōu)點，目前國內(nèi)有多家企業(yè)在從事850nm/940nm/905nm VCSEL相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)。1550nm激光滿足人眼安全要求，在激光雷達、氣體探測等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景，但是目前國內(nèi)在1550nm VCSEL商用產(chǎn)品研發(fā)方面尚未取得突破。

  近日，長光時空聯(lián)合長光所王立軍院士團隊，研制出高性能1550nm VCSEL芯片。技術(shù)人員通過采用高增益應(yīng)變量子阱，在國內(nèi)首次研發(fā)出光功率達到毫瓦量級的單模1550 nm VCSEL。在溫控設(shè)定在15 ℃時最高激光功率達到2.6 mW, 邊模抑制比(SMSR)最高達到35 dB，并具有良好的溫度適應(yīng)性。該項研究以《1550 nm毫瓦級單橫模垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器》發(fā)表于《物理學(xué)報》，并被選為“編輯推薦”論文。

  論文鏈接：https://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.71.20212132

  論文全文

  題目 | 1550 nm毫瓦級單橫模垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器

  1. 引 言

  1550 nm波長的激光具有很廣闊的應(yīng)用前景, 該波長是光纖通信窗口, 在光纖中具有較低的傳輸色散[1]; 1550 nm波長的激光具有高的人眼安全閾值, 不易產(chǎn)生人眼損傷[2]; 另外, 1550 nm波長附近還是一氧化碳、硫化氫等氣體的特征吸收波長區(qū)域[3]. 發(fā)光波長在1550 nm的垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)具有低功耗、小體積、表面出光及圓形對稱光斑等獨特優(yōu)勢, 近年來在低功耗光通信、激光雷達及氣體傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用研究獲得了人們的廣泛關(guān)注[4,5], 具有廣闊的應(yīng)用前景. 發(fā)光波長在1550 nm附近的VCSEL必須采用InP材料體系作為發(fā)光層. 采用InP襯底生長的晶格匹配材料具有很低的折射率差值, 因而無法用于制備低吸收損耗、低電阻的分布布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector, DBR)結(jié)構(gòu)[6]. 因此, 目前1550 nm波段的VCSEL一般采用鍵合AlGaAs/GaAs材料的高性能DBR實現(xiàn)光場的垂直振蕩方向控制, 然而鍵合界面的晶格缺陷及空洞嚴(yán)重制約著器件的工作性能[7,8]. 近年來, 國外研究機構(gòu)針對1550 nm波段VCSEL的工作性能提升做了大量研究工作.

  早在2003年, 慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Gerhard等[9]就論證了1550 nm波段以及更長波段VCSEL的材料制備方案及初步實驗結(jié)果. 2009年, 慕尼黑工業(yè)大學(xué)Müller等[10]報道了采用雙面混合DBR制備1550 nm波段VCSEL的結(jié)果, 實現(xiàn)室溫輸出功率為1 mW. 隨后, 瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Andrei等[11]利用隧道結(jié)臺階實現(xiàn)了橫向電流限制, 并通過鍵合AlGaAs/GaAs反射鏡, 實現(xiàn)了室溫6.5 mW的連續(xù)激射功率. 為解決DBR反射鏡對1550 nm VCSEL的制約, 2013年, 美國加州大學(xué)伯克利分校的Connie研究小組[12]引入懸浮式的高對比度光柵反射鏡(high contrast grating, HCG), 實現(xiàn)了15 ℃下單模功率2.4 mW. 隨后, 采用各種新型反射鏡結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)鍵合反射鏡的技術(shù)方案被廣泛研究報道[13,14].

  近年來, 隨著高速通信、氣體傳感及激光雷達等技術(shù)對1550 nm VCSEL的迫切需求, 國內(nèi)也正積極開展1550 nm VCSEL的技術(shù)攻關(guān), 然而在1550 nm波段VCSEL領(lǐng)域的研究報道近乎空白, 主要是由于在該波段的材料制備質(zhì)量和鍵合工藝水平與國外具有較大差距. 2020年, 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所Liu等[15]報道了采用混合鏡面反射鏡與隧穿結(jié)臺面結(jié)合的1550 nm VCSEL方案, 其閾值電流為20 mA, 激光功率為7 μW, 激射譜半高全寬為3 nm.

  本文報道了1550 nm毫瓦級單橫模VCSEL器件的設(shè)計和制備. 首先介紹了1550 nm波段VCSEL的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)量子阱、隧穿結(jié)及其橫模特性的設(shè)計結(jié)果, 其次對VCSEL功率、光譜與單模特性等測試結(jié)果進行了描述, 最后總結(jié)了1550 nm 垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的工作.

  2. 器件結(jié)構(gòu)

  圖1是本文所用的1550 nm VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖. 該結(jié)構(gòu)主要由上下DBR、隧穿結(jié)注入臺面以及量子阱發(fā)光區(qū)組成. 其中下DBR由30對AlGaInA/AlInAs半導(dǎo)體DBR與CaF2/Si介質(zhì)膜DBR材料共同組成; 上DBR由45對AlGaInA/AlInAs半導(dǎo)體DBR與介質(zhì)膜DBR材料組成. 發(fā)光區(qū)由6組6 nm Al0.06Ga0.22InAs量子阱/8 nm Al0.22Ga0.28InAs勢壘層組成. 量子阱發(fā)光區(qū)與上、下DBR之間有約2 μm厚的N型摻雜InP導(dǎo)電層, 以便于制備內(nèi)部接觸式的正負(fù)電極結(jié)構(gòu). 為實現(xiàn)高的發(fā)光區(qū)載流子密度, 采用重?fù)诫s的n++/p++隧穿結(jié)臺面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)空穴在臺面位置的高效注入與橫向載流子限制。

  圖 1 1550 nm波段VCSEL結(jié)構(gòu)示意圖

  VCSEL的制備工藝流程如下: 采用金屬有機化學(xué)氣相沉積外延設(shè)備在InP襯底依次生長上半導(dǎo)體DBR、N型導(dǎo)電層、發(fā)光層及隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)后, 利用干法刻蝕設(shè)備刻蝕出隧穿結(jié)臺面, 然后再次生長導(dǎo)電層及下DBR中的半導(dǎo)體DBR. 之后通過電子束蒸鍍設(shè)備蒸鍍下半導(dǎo)體DBR外部的CaF2/Si介質(zhì)膜DBR. 制備完成后, 采用電子束蒸金及鍍金設(shè)備完成金屬電極制備, 并采用鍵合設(shè)備將整個結(jié)構(gòu)鍵合到帶有金屬化圖形的透明金剛石薄片上, 以支撐上DBR制備工藝?yán)^續(xù)進行. 將InP襯底采用選擇性腐蝕工藝去除后, 繼續(xù)刻蝕出臺面結(jié)構(gòu), 填充BCB材料并利用電子束蒸鍍設(shè)備形成金屬電極. 最后在上DBR上蒸鍍介質(zhì)膜, 完成工藝制備. 為了獲取良好的散熱效果, VCSEL的底部電極在工藝過程中被加厚至20 μm以上. 激光器臺面邊緣填充BCB材料的主要目的是實現(xiàn)良好的器件支撐, 確保芯片在操作過程中不易產(chǎn)生破損.

  3. 理論設(shè)計

  在半導(dǎo)體材料體系中, GaInAsP與AlGaInAs材料均可以作為1550 nm波段的發(fā)光區(qū)材料, 然而AlGaInAs具有更高的導(dǎo)帶帶階(ΔEc/ΔEg), 因而對于容易泄漏的載流子電子具有更好的限制效果; AlGaInAs只有一種V族元素, 因而更容易控制材料的生長質(zhì)量, 有利于實現(xiàn)良好的發(fā)光區(qū)性能; 同時, 由于AlGaInAs量子阱相比InP襯底具有張應(yīng)變效應(yīng), 而張應(yīng)變可以提供更好的能帶分離效果與增益水平, 因而AlGaInAs是1550 nm VCSEL理想的量子阱層材料[16]. 圖2是采用的6 nm Al0.06Ga0.22InAs量子阱/8 nm Al0.22Ga0.28InAs勢壘層結(jié)構(gòu)發(fā)光區(qū)量子阱價帶的能級分立情況以及增益譜隨載流子濃度的變化模擬結(jié)果。

圖 2 (a) 6 nm Al0.06Ga0.22InAs量子阱的價帶子能級分布情況; (b)不同載流子濃度下的增益譜變化情況

  采用Crosslight軟件中的量子阱增益仿真模塊計算了發(fā)光區(qū)量子阱價帶能級與增益譜, 如圖2所示. 圖2(a)中能帶順序自上往下依次是第一重空穴帶(HH1)、第二重空穴帶(HH2)、第一輕空穴帶(LH1)與第三重空穴帶(HH3). 價帶重空穴帶在上, 有利于量子阱在低的電流密度實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn). 第一重空穴帶與第二重空穴帶分離良好, 進一步提高了量子阱對注入載流子的限制能力. 由圖2(b)中不同載流子濃度下的增益譜可以看出, 隨著載流子濃度的增加, 增益譜一直較為平滑, 并沒有出現(xiàn)第二子能帶光增益. 量子阱增益峰值位置隨載流子濃度增加略有藍移, 這是由于載流子的能帶填充效應(yīng)造成的. 為保證工作時增益峰值波長盡量靠近出光波長, 采用的量子阱增益峰位置設(shè)定在1.53 μm附近, 比激光波長略短一些. 這是因為VCSEL工作時, 其內(nèi)部具有較嚴(yán)重的熱效應(yīng), 因而工作時由于溫度增加帶來增益峰的紅移, 從而最終實現(xiàn)增益峰跟目標(biāo)激光波長較好匹配[17].

  1550 nm波段采用的InP材料結(jié)構(gòu)無法像近紅外波段的GaAs材料一樣通過摻入高Al組分, 實現(xiàn)電流限制層的制備[18], 因而, 目前文獻報道多采用隧穿臺面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)載流子的橫向限制. 載流子的隧穿效應(yīng)是1550 nm VCSEL電流順利注入的關(guān)鍵. 圖3是采用Crosslight軟件設(shè)計的重?fù)诫s隧穿結(jié)構(gòu)的電流-電壓曲線, 隧穿結(jié)臺面直徑為5 μm. 由于隧穿結(jié)外加反向偏壓, 因而在電壓小于1.5 V時幾乎沒有隧穿電流存在; 而當(dāng)開啟電壓超出1.5 V, 隧穿電流隨著電壓增加迅速增長, 電壓增長約0.5 V就可以實現(xiàn)10 mA的電流注入, 具有很好的隧穿效果。

圖 3 隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)的電流-電壓特性模擬結(jié)果, 插圖為各隧穿層在1 V偏壓下的能帶結(jié)構(gòu)計算結(jié)果及載流子傳輸過程示意圖

  圖3插圖為模擬的隧穿結(jié)材料層在外加偏壓超過開啟電壓后的能帶結(jié)構(gòu)圖. 隧穿結(jié)采用n型及p型重?fù)诫s材料, 界面處重?fù)诫sn型層的導(dǎo)帶與p型層的價帶位于同一水平, 因而當(dāng)電壓繼續(xù)增加, n型層的載流子電子直接隧穿至p型層, 實現(xiàn)電流注入, 而不存在額外的勢壘. 這也是隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)的基本工作原理.

  相比近紅外波段常采用的氧化限制結(jié)構(gòu), 隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)具有很好的單模工作特性. VCSEL的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)屬于典型的光纖柱狀波導(dǎo), 其芯層與包層的折射率差值決定了基模與高階模的分布形式[19]. 對于隧穿結(jié)結(jié)構(gòu)來說, 其芯層與包層的折射率差Δneff = neff-core – neff-cladding較小, 更有利于高階模式的耗散與基模的增強. VCSEL的Δneff與臺面刻蝕深度密切相關(guān). 對于隧穿結(jié)臺面, 采用MATLAB自建的光纖模式模型分析了不同刻蝕深度時Δneff以及其對應(yīng)的單模區(qū)直徑變化情況, 如圖4所示. 可以看出, 隨著刻蝕深度增加, Δneff變大, 說明刻蝕深度的增加對波導(dǎo)效應(yīng)有增強效果, 對應(yīng)的單模工作區(qū)直徑不斷降低. 因而, 刻蝕深度較大時, 對于實現(xiàn)大口徑的單模輸出是不利的. 為實現(xiàn)5 μm以上的單模工作區(qū)直徑, 選擇刻蝕深度不超過100 nm。

圖 4 隧穿結(jié)臺面刻蝕深度對芯層與包層的折射率差值Δneff = neff-core-neff-cladding以及單模工作區(qū)直徑的影響

  4. 實驗結(jié)果

  制備的1550 nm VCSEL芯片被封裝在TO管殼中, 其底部裝有TEC控溫及NTC測溫元件. 通過改變控溫系統(tǒng)溫度, 測量VCSEL在不同工作溫度下的功率-電流曲線, 測試結(jié)果如圖5所示. VCSEL在15 ℃下的熱飽和功率達到2.6 mW. 隨著工作溫度的增加, 最大熱飽和功率快速降低, 在35 ℃下的熱飽和功率仍然可以達到1.3 mW. VCSEL的閾值電流隨溫度的變化趨勢呈現(xiàn)出典型的增益—腔模失配型VCSEL閾值電流特性[20]. 當(dāng)工作溫度由15 ℃增加到35 ℃后, 熱飽和功率有所降低, 閾值電流也隨之減小, 由15 ℃時的7.4 mA降低到35 ℃時的5.4 mA. 閾值電流隨工作溫度增加而減小, 是因為設(shè)計的增益峰值波長與激光器出光波長相對藍移, 隨著工作溫度的增加, 由于增益峰值波長漂移速率比激光器出光波長漂移速率快近一個數(shù)量級, 因而在較高溫度下實現(xiàn)了增益與激光器工作波長的較好匹配. 當(dāng)工作溫度繼續(xù)增加至55 ℃時, 激光器的增益與工作波長匹配度仍然較好, 因而VCSEL閾值電流與35 ℃相比并無明顯變化. 隨著工作溫度繼續(xù)增加至75 ℃, 增益與工作波長出現(xiàn)失配, 閾值電流繼續(xù)增加. 雖然當(dāng)工作溫度在75 ℃時VCSEL功率急劇下降, 然而其熱飽和出光功率仍然可以達到0.35 mW.

圖 5 不同工作溫度下VCSEL的功率-電流曲線測試結(jié)果

  圖6(a)給出了工作溫度為15℃時, 采用橫河6370D高精度光譜儀測得的VCSEL在5.5, 10和15 mA工作電流下的激光光譜. 可以看出, VCSEL在這3個工作電流下的激光光譜主峰模式(基模)與次級峰模式(高階模)的強度差呈現(xiàn)非常良好的單模輸出特性[21,22]. 當(dāng)工作電流為10 mA時, VCSEL中心波長為1547.58 nm, 邊模抑制比(side mode suppression ratio, SMSR)達到了33 dB. 隨著工作電流增加, 出光波長出現(xiàn)紅移現(xiàn)象, 這是因為VCSEL在工作電流增加時內(nèi)部熱效應(yīng)增強導(dǎo)致的。

圖 6 工作溫度為15 ℃時, (a) VCSEL在不同電流下的單模激光光譜, 以及(b)出光波長與SMSR隨工作電流的變化關(guān)系

  VCSEL出光波長與SMSR隨工作電流的變化情況如圖6(b)所示. 當(dāng)工作電流增加時, VCSEL的出光波長出現(xiàn)紅移. 從圖6(b)可以看出, VCSEL的出光波長隨工作電流呈近似線性變化, 波長漂移速率為0.13 nm/℃. VCSEL的SMSR參數(shù)隨工作電流呈現(xiàn)明顯波動. 工作電流在閾值電流附近(I = 5.5 mA)時, 由于VCSEL尚未正常激射, 因而其SMSR較低, 僅有13 dB. 隨著工作電流增加, SMSR快速增加. 當(dāng)工作電流為13 mA時, VCSEL的SMSR達到最大值35.2 dB. 隨著工作電流超出15 mA, VCSEL的SMSR快速下降. 當(dāng)工作電流為16 mA時, VCSEL的SMSR降至22.9 dB, 與文獻[21]中單模VCSEL的結(jié)果對比, 此時的SMSR仍高于20 dB, 可以認(rèn)為VCSEL的激光光譜仍然保持著較好的單模狀態(tài). 根據(jù)圖5中的功率-電流曲線, 此時對應(yīng)的VCSEL激光器單模出光功率為0.97 mW. 此后隨著工作電流繼續(xù)增加, SMSR數(shù)值降至20 dB以下, 激光器為多模工作. 更高工作電流下VCSEL單模性變差的主要原因是大電流下VCSEL有源區(qū)內(nèi)有更為嚴(yán)重的熱積累. 由于VCSEL為類似光纖模式的波導(dǎo)模型, 在大電流下, 中心區(qū)域高的工作溫度使得VCSEL軸向折射率梯度進一步增加, 由此引起激光器對高階模式的導(dǎo)引效應(yīng)增強, 這使得VCSEL的高階模式在大電流下更容易激射.

  5. 結(jié) 論

  本文報道了1550 nm波長的VCSEL研制結(jié)果. 采用高增益發(fā)光區(qū)量子阱與隧穿結(jié)臺面結(jié)構(gòu), 實現(xiàn)了2.6 mW的最大出光功率. 與國內(nèi)其他單位報道相比, 在1550 nm波段VCSEL研究中首次突破毫瓦級的激光功率水平; 對VCSEL的單模性進行了測試, 證實其最大單模出光功率可以達到0.97 mW, 此時工作電流為16 mA. 由于大電流下VCSEL內(nèi)部熱效應(yīng)嚴(yán)重, 高階模式波導(dǎo)效應(yīng)增強, 因而更高工作電流下VCSEL的SMSR數(shù)值急劇下降. VCSEL的波長隨工作電流有很好的線性變化, 波長隨電流漂移速率為0.13 nm/mA, 這在氣體傳感所需的穩(wěn)定波長調(diào)諧方面將會有很好的應(yīng)用效果. 本文1550 nm VCSEL單元器件的結(jié)果為下一步通過陣列集成獲得高功率1550 nm VCSEL奠定了基礎(chǔ). 高功率1550 nm波段VCSEL對于解決現(xiàn)階段激光雷達的人眼安全問題具有重要意義.

  論文第一作者是長光時空技術(shù)總監(jiān)、長春光機所張建偉教授，通訊作者是長光時空總經(jīng)理張星，論文作者還包括中國科學(xué)院王立軍院士和寧永強教授。長光時空團隊在王立軍院士、寧永強教授的領(lǐng)導(dǎo)下，從2002年至今在高性能VCSEL芯片研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面保持了與國外并跑發(fā)展。